авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Электродинамика и поля температур струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Гайнуллин Рустем Нусратуллович

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР

СТРУЙНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Казань 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Кирпичников Александр Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Дресвин Сергей Вячеславович

доктор технических наук,

профессор Кудинов Владимир Владимирович

доктор технических наук,

профессор Кашапов Наиль Фаикович

Ведущая организация: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Защита состоится «25» «сентября» 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68 (зал заседаний Учёного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «______» «__________» 2009 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук А.В. Герасимов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В последние годы постоянно растет интерес к процессам и технологиям, основанным на применении низкотемпературной плазмы. Высокая энергетика плазменных процессов даёт возможность проводить реакции, неосуществимые при обычных условиях с использованием рядовых технологий. Особенно перспективны в этом направлении аппараты и конструкции, использующие высокочастотный нагрев газа. Отсутствие внутренних электродов позволяет получить высокочастотную плазму особо чистой, не загрязнённой продуктами их разрушения.

Для адекватного управления такими процессами, а также для разработки и оптимизации ВЧ плазменных реакторов, необходимо иметь достоверную информацию о структуре ВЧ разряда, о распределении в нём основных электромагнитных и тепловых параметров. Важное значение при разработке новых плазменных технологий имеет также и проблема зависимости параметров ВЧИ разряда от расхода плазмообразующего газа. Однако широкое использование плазмотронов в различного рода технологических процессах сдерживается отсутствием простых и надежных методик расчета их работы.

Несмотря на то, что существующие методы оперативной диагностики ВЧИ разряда позволяют получить информацию о распределении большинства его электромагнитных и тепловых параметрах, очень трудно провести все измерения в рамках единого цикла, когда разряд горит, и его характеристики длительное время не меняются. Это связано с тем, что обычно различные виды измерений требуют и различного набора оборудования, а также времени на его установку и отладку. Вследствие чего к настоящему времени не предложено такого метода контактной диагностики высокочастотной низкотемпературной плазмы, который требовал бы минимального числа измеряемых величин, с тем, чтобы по ним можно было бы с достаточной степенью точности рассчитать все остальные характеристики разряда.



Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования структуры электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления экспериментально-теоретическим путём, позволяющим получить достоверные данные о распределении основных характеристик разряда и их зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

В диссертации изложены результаты работы автора в период с 1988 по 2009 г.г. по исследованию струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, разработке диагностического оборудования, а также методик и алгоритмов расчёта его основных электромагнитных и тепловых характеристик, позволяющих с достаточной степенью точности определить структуру ВЧИ разряда.

Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в соответствии: с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР на 1986–1990 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» по теме 0182.5011018 «Исследование термодинамических и теплофизических процессов в плазмохимических реакторах»; с Координационным планом научно-исследовательских работ РАН на 1996–2000 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» (п.1.9.1.1.2.1.); с научным направлением “Физика низкотемпературной и неидеальной плазмы и её применение в энергетике и экологически чистых технологиях”, включённым в Постановление Правительства РФ № 2727п-П8 от 21 июля 1996 г. ”Приоритетные направления развития науки и технологий”; разделом 1.5.2 “Физика низкотемпературной плазмы”, включённым в Постановление Президиума РАН № 7 от 13 января 1998 г. “О перечне приоритетных направлений фундаментальных исследований” и планом фундаментальных научных исследований Казанского государственного технологического университета.

Работа выполнена при поддержке АН Татарстана (договора № 06-6.7-298 / 2004 (Ф) и № 06-6.4-357 / 2005 (Ф)).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является создание экспериментально-теоретической модели и методов расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, позволяющих оптимизировать высокотемпературные и плазменные процессы в высокочастотных индукционных плазмотронах и энергоустановках, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

  1. Разработать и создать экспериментально-измерительный комплекс для исследования плазмы высокочастотного индукционного разряда.
  2. Изготовить диагностическое оборудование, разработать методику и провести экспериментальные исследования для получения достоверных данных по определению влияния расхода плазмообразующего газа на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда.
  3. Разработать двухмерную математическую модель, описывающую структуру квазистационарного электромагнитного поля ВЧИ разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.
  4. Аналитически исследовать структуру ВЧИ разряда и поведение его электромагнитных характеристик вблизи оси плазмоида.
  5. Построить численную модель для расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда с использованием в качестве входной информации экспериментально полученных данных о структуре разряда.
  6. Провести обобщение экспериментально-теоретических результатов с целью выдачи рекомендаций по оптимизации высокотемпературных технологических процессов в установках, использующих ВЧ индукционный нагрев газа.

Достоверность полученных данных. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерению амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля и измерения температуры плазмы с помощью оптического метода малой монохроматизации обеспечивались применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.

Достоверность теоретических результатов достигается применением современных методов математического моделирования, базирующихся на использовании уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле в индукторе, апробированных аналитических и численных методов решения, обоснованностью используемых допущений.

Достоверность полученных результатов подтверждается путём сравнения полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также путём сравнения с известными экспериментальными данными и с результатами расчётов других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

2. Предложены и реализованы новые численные алгоритмы решения задачи о структурах электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления.

3. Впервые экспериментально получено пространственное распределение амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля в плазме струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления при различной величине расхода плазмообразующего газа.

4. Впервые обнаружено явление коаксиальности струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, которое заключается в том, что внутри плазмоида в каждом его поперечном сечении максимум проводимости находится ближе к оси разряда, чем максимум плотности вихревого тока, а максимум плотности вихревого тока располагается ближе к оси, чем максимум удельной мощности тепловыделения.

5. Изучено влияние величины расхода плазмообразующего газа на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда и проанализирован парадокс фон Энгеля-Штеенбека применительно к струйному высокочастотному индукционному разряду.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

  • Разработаны новый метод диагностики плазмы струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления и методики расчёта, позволяющие по минимальному числу измеряемых величин рассчитать все остальные характеристики разряда.
  • Реализованы методики расчёта основных характеристик струйного ВЧИ разряда атмосферного давления в зависимости от величины расхода плазмообразующего газа, прокачиваемого через плазмотрон.
  • Реализована методика расчета проводимости, плотности вихревого тока, удельной мощности тепловыделения и температуры плазмы струйного ВЧИ разряда атмосферного давления с целью обеспечения оптимальных условий при проведении плазмохимических реакций.
  • Предложенные методики расчёта использованы при создании и оптимизации работы плазмохимического реактора для получения наноразмерных порошков оксидов металлов, а также при создании опытно-промышленной ВЧ плазменной установки по получению сорбентов для сбора нефтепродуктов из гидросферы.

Полученные в диссертации результаты, были использованы при разработке и создании технологического оборудования в ОАО «Мединструмент» (г. Казань) и НПГ «РЕНАРИ» (г. Москва).

На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных исследований структуры квазистационарного электромагнитного поля и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда в условиях термической плазмы.

Экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.

Двухмерная модель постоянной проводимости высокочастотного индукционного разряда и аналитическое исследование структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда в приосевой области плазмоида.

Методы и алгоритмы численно-экспериментального определения электромагнитных и тепловых полей на основании имеющихся экспериментальных данных по результатам измерений амплитуды продольной компоненты магнитного поля ВЧИ разряда.

Результаты экспериментальных исследований, связанных с определением порога устойчивости разряда в зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.

Результаты проведения исследований плазмохимического метода получения наноразмерных частиц оксидов металлов.

Результаты исследования влияния величины расхода плазмообразующего газа на распределение основных электромагнитных и тепловых характеристик внутри ВЧИ разряда.





Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное значение и заключающуюся в создании экспериментально-теоретической модели, служащей для расчёта электромагнитных и тепловых параметров струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления с целью разработки плазмохимических реакторов и оптимизации работы энергоустановок, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на: V - Всесоюзном совещании «Процессы в металлургии и технологии неорганических материалов» (Москва, 1988); II – Всесоюзной школе-семинаре «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Киев, 1989); VII – Всесоюзной конференции по современным проблемам электрометаллургии стали (Челябинск, 1990); IV – Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1991); XI – Всесоюзной конференции «Применение токов высокой частоты в электротехнологии» (Ленинград, 1991); Всероссийских межвузовских научно-технических семинарах и конференциях “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика” (Казань, 1992 - 2005); Второй Международной теплофизической школы (Тамбов, 1995); Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1995); Международных научных конференциях “Математические методы в технике и технологиях” (Владимир, 1998; Ярославль, 2007); Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1999); Международном симпозиуме “Heat and Mass Transfer under Plasma Conditions” (Анталья, 1999); Международной конференции «Плазмотехнология – 99» (Запорожье, 1999); Всероссийской конференции по физике газового разряда (Рязань, 2000); Конференции Европейского общества исследования материалов (European Materials Research Society) (Страсбург, 2002); IV – международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии «ISTAPC-2005» (Иваново, 2005); Международной конференции по инновационной деятельности (Москва, 2005); Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ-2006» (Казань, 2006); V Российском Семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 2006); Конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007 (Петрозаводск, 2007); Вавиловских чтениях “Мировое сообщество и Россия на путях модернизации” (Йошкар-Ола, 2007); V – международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт – Петербург, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008); V Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2008 (Махачкала, 2008), научных семинарах КГТУ (КХТИ), КГТУ(КАИ) им. А. Н. Туполева, КГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 1 монография и 7 публикаций в центральных изданиях, включённых в перечень периодических изданий ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 184 наименований и приложения.

Содержание диссертации изложено на 257 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 4 таблицы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, излагается основная цель, ставятся задачи, а также описывается структура диссертации.

В первой главе выполнен аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию ВЧИ разряда. Глава состоит из пяти разделов.

В первом разделе представлен обзор основных монографий и обзорных статей по исследованию плазмы ВЧ индукционного разряда.

Во втором разделе сделан обзор существующих методов контактной диагностики электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда. Показано, что выбор того или иного метода обусловлен, прежде всего, требуемой точностью при проведении измерений, а также наличием диагностического оборудования и условий при которых они проводятся.

На основе сравнительного анализа различных методов диагностики тепловых параметров ВЧИ разряда показано, что наиболее точными из них являются оптические методы, в частности, метод малой монохроматизации. Рассмотрены достоинства этого метода и дано обоснование выбора его в качестве контрольного для определения поля температур в зоне разряда.

В третьем разделе дан анализ работ, выполненных другими авторами и посвящённых экспериментальному исследованию параметров ВЧИ разряда.

В четвёртом разделе представлен обзор работ, посвящённых математическому моделированию высокочастотного индукционного разряда. При этом отмечено, что большинство авторов, стараясь избежать измерений в самом разряде, в качестве входной информации для своих расчётов и задания граничных условий используют параметры, измеряемые в первичной цепи плазмотрона, например силу тока индуктора. Это приводит к необходимости привлекать дополнительные уравнения для замыкания системы уравнений Максвелла, описывающей электромагнитное поля ВЧИ разряда. Этого можно избежать, если в качестве входной информации использовать, найденные экспериментально, значения амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля. В этом случае, ограничиваясь только рамками системы уравнений Максвелла, можно получить распределения электромагнитных и тепловых характеристик в зоне ВЧ индукционного разряда.

В пятом разделе сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены основные этапы построения двухмерной математической модели, описывающей структуру квазистационарного электромагнитного поля струйного высокочастотного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.

На первом этапе, для проверки основных положений построения математической модели и принимаемых при этом допущений, рассмотрена идеализированная одномерная модель (модель идеального индуктора), позволяющая качественно решить задачу определения электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда.

Показано, что модель идеального индуктора не может быть использована для количественных расчётов параметров ВЧИ разряда, так как она не учитывает граничные эффекты, возникающие в промышленных плазмотронах, у которых диаметр индуктора соизмерим с их длиной.

Поэтому следующим этапом стал переход к построению полной двухмерной математической модели, описывающей электромагнитное поле струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечных размеров.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.